藏北一次局地爆发性浓雾特征与成因分析

旦增卓玛 旺堆杰布 桑秋璐 达瓦泽仁 旦卓玛

(1.那曲市气象台，西藏 那曲 852000； 2.西藏自治区气象局网络中心，西藏 拉萨 850000； 3.索县气象局，西藏 索县 852000)

引言

雾是指近地面大气中悬浮的由小水滴或冰晶组成的水汽凝结或凝华物，当空气温度达到或接近露点时，空气中的水汽出现凝结而生成雾。雾对人体健康和交通运输影响较大，尤其是能见度快速下降的阶段极易出现较严重的交通事故，给人民的生命及财产带来较大的损失。2006年12月出现浓雾天气，导致宁靖高速公路上发生追尾事故，两艘货船在长江相撞；2004年11月底华北平原出现的大范围持续性大雾，北京、天津、河北等地航班受阻，高速公路全线封闭。因此对大雾特征及其成因分析，有利于提高大雾天气精细化预报能力，为减轻或避免大雾造成的不利影响提供科学依据。

近年来雾、霾发生频率出现增加趋势，国内外学者对其研究也越来越多。Heintzenberg[1]和Mason[2]对大雾天气生消演变特征进行了分析。有研究总结了大雾发生发展的环流背景及气象要素条件，指出大雾常常是在稳定的天气背景下形成，低层具有一定水汽输送或下垫面水汽较好的条件，当出现气温下降、湿度快速增加时利于大雾形成[3-5]。另外，边界层低层的弱冷平流有利于水汽凝结和逆温形成，逆温最强时段对应能见度最低阶段[6]。一些学者通过热力[7-9]及动力[10-13]等条件分析了大雾发生、维持和消散阶段各物理量时空分布特征。此外，一些研究[14-17]指出雾具有较明显的地域性特征且空间分布不连续，不同季节雾的形成机制有所不同。目前多数研究针对海拔较低、相对湿润的地区，而对地势较高地区的雾研究较少，因此开展藏北一带大雾天气研究，对于积累藏北大雾预报经验，提高大雾预报、预警、服务能力具有十分重要的意义。

那曲地处西藏自治区的北部，平均海拔在4500 m以上，地势高亢、气候干燥、日光充足、辐射强、昼夜温差大，属于亚寒带半干旱区，大部为高寒草原。那曲只分冬季(10月至次年4月)与夏季(5—9月)。藏北一带雾天较为少见，特别是能见度<500 m的浓雾更为罕见。那曲的雾天日数从西北至东南呈逐渐增加趋势，色尼区与嘉黎县日数最多。近30 a色尼区共出现了123次大雾以上等级天气，年平均4次左右；2016—2019年大雾频次明显增加，年平均10次。雾天主要出现在冬末、初夏及夏末(4月、5月、6月、9月)，出现时段集中在04:00—11:00(北京时,下同)，以辐射雾为主。2019年4月10日那曲局地出现了爆发性浓雾天气，给当地造成较大影响，因此对其成因进行诊断，揭示其形成机制。

1 资料与方法

按照国家标准《雾的预报等级》(GB/T 27964—2011)中规定，轻雾(1000 m≤vis<10000 m)、大雾(500 m≤vis<1000 m)、浓雾(200 m≤vis<500 m)、强浓雾(50 m≤vis<200 m)、特强浓雾(vis<50 m)的能见度(vis)标准对此次天气过程进行判别。

本文所用数据时间段为2019年4月8—11日。常规资料包括色尼区站常规高空、地面气象观测数据，观测要素有风速、风向、相对湿度、露点温度和温度等。再分析资料包括 NCEP(分辨率为1°×1°，时间步长为6 h)、Era5(分辨率为0.25°×0.25°，时间步长为1 h)。非常规资料为5 min地面加密自动站、色尼区站C波段风廓线雷达资料和能见度资料等。

文中所用的地表净辐射公式如下[18-20]：

(1)

式(1)中，Rns为净短波辐射，单位为 MJ·m-2·h-1；∂为反照率，参照文献[18-19]取0.23；n为实际日照时数,单位为h；N为天文日照时数,单位为h；Ra为天文辐射,单位为MJ·m-2·h-1，根据经纬度通过天文辐射计算程序算出；a、b为系数，参照文献[18]分别取0.25与0.50。

(2)

式(2)中，Rnl为净长波辐射,单位为 MJ·m-2·h-1；H为海拔高度,单位为m；e为水汽压,单位为hPa；Tkx为绝对最大温度,单位为K；Tkn为绝对最小温度,单位为K。

Rn=Rns-Rnl

(3)

式(3)中，Rn为净辐射,单位为MJ·m-2·h-1。

2 结果分析

2.1 天气实况

2019年4月8日那曲市出现了大范围的降雪天气，因气温低，雪后各县均有不同程度的积雪。5 min加密自动站资料显示(图1)，4月10日05:10(图1a)那曲出现了大雾，那曲11个区县中仅色尼区(31′29°N，92′04°E，那曲市政府所在地)及向北30 km的聂荣县南部能见度≤1 km。08:00(图1b)位于东南部的嘉黎县能见度也下降至10 km以内，但未出现雾，可见此次天气过程是局地性的。

图1 2019年4月10日05:10(a)与08:00(b)那曲市能见度分布Fig.1 Spatial distribution of visibility in Nagqu city at 05:10 (a) and 08:00 (b) on April 10,2019

从各地面要素的时间演变看(图2a)，色尼区10日04:25前能见度均为35 km，04:25—05:05，能见度为15—29 km；05:10，能见度骤降至0.7 km，之后5 min内继续下降至0.4 km(浓雾)；06:35能见度回升，轻雾状态维持了 1 h左右，期间最高能见度达到了9 km；07:55能见度再一次骤降至0.4 km(浓雾)；随后浓雾、大雾、轻雾交替出现，直至09:30消散，期间最低能见度达到了0.3 km。05:00—09:00共出现了2次爆发性增强过程。

10日04:00—10:00风速大小介于1—3 m·s-1之间(图2b)，微风状态使大气的水平扩散与垂直混合减弱，有利于雾的形成。10:00过后风力开始增强，雾开始消散。风向在02:00之前为西南风，利于前期暖湿气流的输送，04:00之后转为偏西风。露点温度差从无雾到有雾，呈现逐渐减小的趋势；在雾发生期间，温度露点差均≤2 ℃，空气达到饱和状态，温度露点差上升较为明显时雾消散。

图2 2019年4月10日04:00—11:00色尼区站能见度(a)和温度露点差及风速(b)时间演变Fig.2 Variations of visibility (a),T-Td and wind speed (b) in Seni district from 04:00 to 11:00 on April 10,2019

2.2 成因分析

2.2.1 环流背景

2019年4月10日00:00的500 hPa高空图(图3a)显示，中高纬为两槽一脊型，两个槽分别位于乌拉尔山与蒙古地区，两槽之间为高压脊。随着青藏高原西部高压脊的东移，高原中东部的南支冷槽加深，南部暖湿气流沿着槽前西南气流输送至高原腹地。那曲市色尼区处在风向辐合区中，加之积雪融化作用，近地面较潮湿，为大雾形成提供有利的水汽条件。06:00(图3b)随着系统的移动，色尼区处于高压脊前西风气流中。从等温线与风场配置来看，色尼区至西藏东部上空暖平流较强，550 hPa高度为偏南风(图略)，温度平流与500 hPa表现一致，暖平流有利于低层逆温形成，对雾的发展较为有利。此外，00:00与06:00西藏上空等值线稀疏，气压梯度小，风力微弱(风速在2—4 m·s-1左右)，利于地面风速减小,提供雾形成的弱风条件。

黑实线为等高线，单位为dagpm；虚线为等温线，单位为℃；实心三角形为色尼区所在地图3 2019年4月10日00:00(a)与06:00(b)500 hPa环流形势Fig.3 Circulation situations at 500 hPa at 00:00 (a) and 06:00 (b) on April 10,2019

2.2.2 辐射冷却条件

地表与大气间的湍流热通量，由地面与大气之间的温差造成的。而地表的净长波辐射能很好地表现这一点。将地面观测资料代入式(1)—式(3)计算出净辐射，如表1所示。夜间净辐射从01:00—08:00均表现为负值，结合环境场与卫星云图显示，10日凌晨那曲受高压脊控制，02:00色尼区天空放晴，无云遮挡，大气对地面长波辐射的反射能力减弱，造成辐射的空气加温能力不能正常发挥，白天地面接收到的短波辐射热力，释出量加大，热量被迅速带走，然而03:00—06:00净辐射增强明显，06:00净辐射值超过了-1.2 MJ·m-2·h-1，随着长波辐射的加大，地表散热迅速，辐射降温加大。从气温情况来看，03:00—06:00气温下降率达到1.4 ℃·h-1。06:00雾出现后气温降幅减小，雾体产生向下的长波辐射，抵消部分地面长波辐射冷却导致降温幅度变小。

表1 2019年4月10日01:00—08:00色尼区净辐射及气温变化Table 1 Change of hourly net radiation and temperature in Seni district from 01:00 to 08:00 on April 10,2019

那曲属荒漠草原区，植被较少，此季节地面辐射有明显的日变化，无云的夜间长波辐射强度强，导致近地面及地表温度迅速下降，一般情况下在06:00—08:00长波辐射会达到最强状态，且每小时净辐射增强率较规律，而此次雾天03:00—05:00净辐射具有突发性增强特性，随着辐射降温加强，促进空气里的水汽达到饱和状态，有利于水汽凝结形成无数悬浮于空气里的小雾滴。

2.2.3 稳定层结分析

探空观测数据显示，4月10日07:00色尼区站近地面存在逆温层(图4)，逆温始于地面，上、下界温差达到3 ℃，厚度达400 m，集中于500 hPa以下，逆温层内湿度大，尤其近地层露点温度差接近0 ℃，具有典型的辐射逆温特征。逆温不利于空气垂直运动的发展，使大量的水汽凝结物聚集在近地层，为大雾的发生提供了不可缺少的条件。

图4 2019年4月10日07:00色尼区站温度与露点温度垂直分布Fig.4 Vertical distribution of T and Td in Seni district at 07:00 on April 10,2019

2.2.4 动、热力及水汽条件分析

2.2.4.1 水汽条件

充足的水汽是产生雾最重要的条件之一。从水汽通量图(图5a)可以看出，10日00:00—09:00色尼区上空表现为正值，表明有水汽输送。水汽通量散度10日00:00在570—460 hPa之间表现为负值，表明此范围内有水汽的汇聚；随后负值面积开始变大，02:00在450 hPa以下均表现为负值，中心值达-1.6 g ·cm-2·hPa-1·s-1，中低层水汽汇聚明显；09:00过后，负值面积迅速变小，低层水汽流失严重，能见度逐渐转好。在大雾发生与维持期间，近地层相对湿度(图5b)达90%以上；比湿介于2—3 g·kg-1，而通常满足其他条件的情况下，藏北一带冬季比湿达到2 g·kg-1，就足以产生降雪、露、霜等天气现象，这种低层高湿条件是形成雾的有利环境因素。

图a中等值线为水汽通量，单位为 g·cm-1·hPa-1·s-1，彩色为水汽通量散度，单位为 g ·cm -2·hPa-1·s-1；图b中等值线为比湿，单位为g·kg-1，彩色为相对湿度，单位为 %图5 2019年4月10日色尼区水汽通量与水汽通量散度时间—高度序列剖面图(a)和比湿与相对湿度时间—空间序列剖面图(b)Fig.5 Time-altitude sequence profiles of water vapor flux and its divergence (a) and specific humidity and relative humidity (b) on April 10,2019,in Seni district

2.2.4.2 动力条件

图6是色尼区雾发生期间不同阶段的垂直速度与散度演变特征，在雾发生前，9日18:00垂直速度由负值(图略)转变为0 Pa·s-1，10日06:00表现为正值，为下沉运动，利于色尼区上空的暖湿气流堆积在500 hPa以下，使低层湿度增大。同时空气下沉，绝热压缩增温，促进稳定层结形成，有利于雾的发展与维持。从散度情况来看，10日00:00(图6b)400 hPa以下表现为负值，说明有水汽的辐合，但与9日18:00(图略)相比负值中心明显减弱；10日06:00(图6b)散度在近地层表现为负值，其余层次转为正值，低层弱辐合使近地层的水汽在一定高度内(逆温层)混合，有利于水汽凝结。雾消散后(图6c)，散度与垂直速度都表现为整层正值，与系统的移动较为吻合。

等值线为垂直速度，单位为Pa·s-1；彩色为散度，单位为 10-5·s-1；空心三角形为色尼区所在地图6 2019年4月10日00：00(a)、06：00(b)和12：00(c)色尼区垂直速度与散度时间—空间演变Fig.6 Distributions of time-space evolution of vertical velocity and divergence at 00:00 (a),06:00 (b) and 12:00 (c) on April 10,2019， in Seni district

2.2.4.3 热力条件

图7a为浓雾过程发生前后的雷达风廓线探测到的风垂直结构，由图7可以看到，4月10日00:00—04:00，色尼区边界层内风向随高度顺转，结合温度平流也表现为正值(图7b)，说明有暖平流。04:00时过后，4.6—5.0 km内风向随高度逆转，冷平流占优势，此时温度平流在550 hPa以下出现了较明显的负值中心；而向上5.0—6.2 km之间风向随高度顺转，有暖平流，低层冷平流与中层暖平流的配置对形成逆温较为有利。09:00过后冷平流减弱消失，被暖平流替代，气温上升，雾消散。

图7 2019年4月10日色尼区C波段雷达风廓线(a)和温度平流(b)时间—高度演变Fig.7 Time-altitude profiles of C-band radar wind profile (a) and temperature advection (b) on April 10,2019,in Seni district

2.3 局地爆发性增强原因

通过分析近30 a的地面资料可知，那曲雾天日数从西北至东南呈逐渐增加的趋势，其中嘉黎县与色尼区日数最多。色尼区海拔高，周围山坡多，地形复杂，山坡两侧的气象要素差异较大，雾的分布具有局地性。受特殊地形影响，色尼区及周边站点(图8)相对湿度及风速随时间演变存在不同，雾发生、发展期间仅色尼区的相对湿度>90%(图8a)，周边各站点均在90%以下，尤其南部罗马镇及东部夏曲卡镇，相对湿度较低。雾发生期间色尼区与扎仁镇的风速在1—3 m·s-1(图8b)，其余站点的风速均在3—6 m·s-1之间，不具备形成雾的条件。因此，局地特殊地形是大雾产生的重要因素。

图8 2019年4月10日01:00—12:00色尼区及周边站点(130 km内)相对湿度(a)及风速(b)随时间演变Fig.8 Variations of relative humidity (a) and wind speed (b) from 01:00 to 12:00 on April 10,2019,at Seni district and surrounding stations

3 结论

(1)此次浓雾天气具有局地爆发性特征。前期积雪融化造成的水汽蒸发、500 hPa大尺度环流背景上暖湿气流输送、以及近地层水汽的辐合为此次大雾的形成提供了充足的水汽条件。

(2)500 hPa环流背景、边界层内上层暖平流与下层冷平流配置，以及特殊地形条件为雾的形成提供了弱风与稳定层结条件，从而雾得以发展且维持。夜间少云，地表净辐射加强引起地面降温冷却，导致温度露点差达≤2 ℃的饱和状态，大量水汽凝结形成无数悬浮于空气里的小雾滴。

(3)近地面风速小，逆温及下沉运动导致水汽在边界层内有限空间内大量汇聚，雾爆发性发展。此次浓雾天气的局地性是由色尼区特殊地形及山坡两侧的气象要素差异较大所造成。

(致谢：感谢辽宁省气象局科技援藏专家组对论文的指导和帮助。)